挖掘机铲斗设计.docx

1、挖掘机铲斗设计一、 基本要求 2 1.1铲斗的结构选择 2 二、 铲斗基本参数的确定 3 2.1铲斗长宽高的确定 3 2.2挖掘力计算 5 三、 铲斗几何形状 7. 3.1铲斗的组成 7. 3.2斗体曲线 9 1.1.3.3两种曲线的比较 1.3 参考文献 15 斗轮挖掘机的铲斗在轮圈回转一周的过程中，要完成切割、装载和排空物料三 项作业。切割时要求斗齿能迅速切入物料。为此铲斗必须具有足够的强度和刚度 以便承受物料的反作用力。装载时要求物料能较通畅地流人铲斗(这样可减少切 割阻力)，同时在物料充填铲斗时，既要填满铲斗空间,乂不能产生过大的挤压 力，否则由于挤压力的增大,会使铲斗壁与物料的吸附力

2、增大(在一定吸附系数 下，吸附力与两物体之间的正压力成正比),造成排料时物料排不净或撒料等情 况。1.1铲斗的结构选择铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以 下要求：(1)有利于物料的自由流动。铲斗壁不宜设置横向凸缘、棱角等，斗底的纵向 剖面形状要适合于各种物料的运动规律。(2)要使物料易于卸尽(3)为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应该大于4,大50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构与下图。斗齿的安装连接采用橡胶销式，结构示意图如下图I F销：2 -橡腔k销：:S -岗座：4-斗齿:、铲斗基本参数的确定2

3、.1铲斗长宽高的确定斗容量q,平均宽度B,转斗挖掘半径R和转斗挖掘满转角2是铲斗的四个主要参数，R,B,2 ,三者之间有下几何关系：1 2q - R2B（2 sin 2 ）Ks2式中土壤松散系数Ks近似值取1.25, q=0.28m3,根据上式可由R,B,2中作任值求相应第三值。其斗容量 0.28m3,斗宽B=0.794m。根据已经确定的斗轮挖掘机生产力轮圈直径宽度转速铲斗数量及每只铲斗的 容量，即可确定铲斗的宽度（B形度（L ）和高度（H ）L : B 1.3;所以可知 L=1.0322m q = 0 .8 B L HqZT21.04B2式中q 铲斗容量（立方米） 把数据代入后，可求得H=0

4、.339m求出L , H,B后，必须按轮圈的圆周速度及铲斗个数来校核铲斗处丁轮圈正上方时，物料是否能靠自重保证落入卸料区间。设每只铲斗及其卸料空间所占的圆心角为a ,每只铲斗的卸料空间弦长为BC L空（见图i）a 2式中 n铲斗数L铲斗长度（L=AB）R轮圈半径S然后根据物料抛物线轨迹，求出抛物距离(x)2HS(x) vt v.式中 H铲斗高度g重力加速度 t物料落到轮圈所需时间 v铲斗齿线速度. S. . . . .一. . .若L空 (x),则所确定的L、B、H三参数满足设计要求，若L空 S 、),则表明斗S,、部分物料要外撒，必须修正H与L ,重新校核，直至L空 (x)。2.2挖掘力计算

5、挖掘机的工作对象是土壤，设计和使用挖掘机时，都需要了解土壤的基本特性和切削土壤过程的一些基本知识。铲刀或铲斗的切削部分，以机械的方法将土块或土层从土壤中剥离出来的过程，成为土壤切削。土壤切削是一个很复杂的过程。在楔形切削刃把土层从土壤中剥离的过程中，土壤受到挤压和剪切，是被切离的土壤发生松散以及一部分受到压缩。因而产生 了土壤原始结构的破坏阻力；土壤与土壤之间的摩擦力和土壤与切削刀具之间的 摩擦力。切削过程中，土壤作用在切削刃上的力称为切削阻力。为了研究方便，我们吧铲斗和切削刃与土壤之间的摩擦力也当做切削阻力的一部分。切削力与切削装置作用在土壤上。其大小和土壤切削阻力大小相同，方向相 反。土壤

6、呗剥离后，将向铲斗流动。流动过程中，土壤与土壤和土壤与切削装置之间产生摩擦。同时，土壤的流动收到铲斗后壁的阻碍还会产生附加阻力。 因此,机械的切削装置除了客服上述切削阻力外， 还有克服这些摩擦力和附加阻力。 铲斗工作时，这些附加力形成装土阻力外。切削阻力和装土阻力之和称为挖掘阻力。 不同的铲斗，装土阻力占挖掘阻力之比相差很大。转斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显的变化，根据资料提供的公式：l 1.35. .F1 5012C Rd 1 cos max ka kAkzkx 17000式中C表示土壤硬度的系数，IV级土取C=1635，在此选31 ;R 铲斗与斗杆皎杆点至斗齿尖距离，即转斗切

7、削半径，R L3 1000mmmax转都在挖掘过程中总转交的一半 铲斗瞬时转角B一切削刃宽度影响系数，B=1+2.6B,其中b为铲斗平均宽度，单位为厘米切削角变化影响系数，A=1.3Z带有斗齿的系数Z=0.75X斗侧壁厚度影响系数初步设计时， X=1.15D切削刃挤压土壤分力，据斗容量大小在 D=1000020000N围选取,选 17000求得 Fmax 135558N三、铲斗几何形状3.1铲斗的组成铲斗由斗唇、斗体、斗框及耳子四部分组成(见图2 )图 2L斗唇2,斗体3.斗框4,面子(1)斗唇斗唇位丁铲斗的前部，斗齿装在斗唇上。为了降低挖掘作业时的动载荷股采用 拱形斜切斗唇。为了减少对土岩的

8、粘着性，斗唇宽度在强度允许的条 件下必须尽量窄些,表面平滑些。斗齿与斗唇的连接必须牢固可靠,拆卸方便。（2 ）耳环用螺栓与轮圈固定（图3 ）。第一轮设计时，仅将耳环贴在轮圈侧壁上。 工作中发现：由丁切割时冲击力的作用，使斗唇产生弹性变形，以致耳环窜动，挤 压螺母，造成拉毛螺检螺纹，耳环孔眼变成椭圆等问题。为了克服这种现象，我们 将耳子与轮圈的连接改为将铲斗耳环擂人轮圈侧壁中间再用螺栓紧固的方法 （见图3 ）。这样挖掘时的冲击力造成耳环窜动的力即由轮圈两侧壁承受，防止了螺 栓拉毛现象。（3 ）斗体斗体与斗唇固联（一般采用灯接）。斗体的形状直接影响物料的装卸。对斗体的主要要：能减少切割物料时的阻力

9、，使物料易丁流入铲斗并减少对斗壁 的正压力，接近斗口的脊背部分应与切割方向平行，斗体的横向截面积变化应较 小，接近铲斗尾部的斗体脊背曲线的切线应与斗口切线垂直。L铲斗耳子 幻斗轮壁3.2斗体曲线本次所设计的 WUD 400700型斗轮挖掘机斗形选用某一大圆中的一段圆弧曲线作为斗体脊背曲线（见图4 ）。该机在油母贞岩露天矿挖掘贞岩及砂土混合 物料时，斗体上粘附物料十分严重。满斗时经压实的物料在斗体上形成了一条十分光滑的曲线 N （见图5 ）。铲除粘附物后继续挖掘，发现粘附的物料在铲斗中仍形成同样的一条曲线。经测量发现圆弧和椭圆都是处处可导的光滑曲线，没有死角拐点。但是圆弧曲线的曲率不变而椭圆曲线

10、各点都不一样（图6 ）。椭圆参数方程是：x acos y bsin式中a椭圆的长半轴B 椭圆的短半轴根据参数方程可求得椭圆曲率KKtc!Ktdab(a2 sin2 b2 cos2 ) 23ab(a2 b2)sin2此求得a,b,从而即可确定所需椭圆。为使斗体横向截面收缩率较小 ，在确定脊背曲线后，还需要再确定斗体的拱形曲线及斗体底面框线。根据前面的分析 ，可以选用半圆弧的拱形曲线及变化缓慢的梯形框线 （见图8 ）。这样就完成了铲斗 各部位的设计。图 I3.3两种曲线的比较（参见图9 , 10）（1 ）分别将两种曲线等分为12等分，计算各横截面积和截面收缩率（表1 ）2x1893.5（2）分别求

11、得圆弧曲线及椭圆曲线曲率ss阿*曲螃斗体 Bio 斗体表格一、两种曲线的比较圆孤曲线斗件椭圆曲线斗体Xs蜀斌商祝ms*Xs础截面机 RMn*X】= 59。明 80L71580.36780.26290.17500JJ700.1044晡(LOT 10.0590,019 I0.040X, = 1843.5101904 97360.25400 J6990.092620.039650.039650.036100,031150.040780.034780,039611 一 ：X3 = 540111340.6769X 广 1793.5 i1$网04.4003Xj - 490151055.0418Xa- 17

12、43.5164583.4539Xi = 44OX； = 39018310340092121S2,Q08X,=搏也5X 广 1543.51B14U.9179200451.0132% = 34。235924,2662X. = 1593.5208729,1087斯290258827.知 911Xr= 1543.5216547.3491Xq = 24。276259.0562Xt-im.5223509.9893X。= 19(1Xw-1402胸我3 .能69310631.1790X# 1443,5X* = 1393.5232BS7.D2S324】25凯9452xu = eo323892.1951XiL 1

13、343.52顺11509si i圆弧曲率为：K 圆=1/R=1/680=0.0014705882当a=1893.5毫米，b=614毫米时，椭圆曲率变化围是： 0.000380842 kt V0.005022599 再利用取虑公式Kt和椭圆参数方程，求得弧 AM上一点N,使得椭圆在此点的 曲率与K圆相同(见图11)。由KT的单调性可知弧MN的曲率都小丁 K圆，仅 弧AN的曲率大丁 K圆。由计算得：AD=146.75毫米H】四、结论(1 )椭圆曲线斗体的横截面收缩率比画弧斗体横截面收缩率较小 ，也就是椭圆 横截面积的变化较缓慢，从而减少挖掘时物料对铲斗壁的挤压力，有利丁铲斗物料卸 净。(2 )椭圆

14、斗体曲率的变化中，只有在弧AN这段曲线斗体尾部上曲率才大丁圆弧曲线的曲率，而这段曲线在x轴的投影只占斗长(L )的四分之一左右，其余四分之三都比圆弧曲线的变化更平稳。可以满足铲斗在卸料时快而净的要求。)2，以 a=1893.5 , b=614 代入上式 eT =0.9459 此离心 率很接近抛物线的离心率（e抛=1 ）若以斗体底部为坐标原点，则可得抛物线为方程（图12）y2 2px，以 x=609 , y=450(见图 10)得 2P4502609332.512 ,则 P=166.256而抛物线的焦点（F）坐标为（p/2 , 0）即为（83.128, 0）抛物线的曲率为:当 P=166.256

15、, 0 x 609 时,K , dK 0)。(2x p)32 dX (2x p)52得0.002503 K抛V 0.0060148,所以同样能在抛物线上找到一点 N使徂Kn抛 =K圆=1/680，同时求得弧ON似轴上的投影X=OC=129.5 K圆，在弧NM上K抛 K圆，且抛物线在 M 点的曲率小丁椭圆在 M 点的曲率（0.00025030.000380842 ）及N点到斗口的水平距离也比N点（图11 ）到斗口的水平距离大,这就表明抛 物线在斗体前半部比椭圆前半部更为平坦，后半部比椭圆后半部变化剧烈。所以采用抛物线作为斗体脊背曲线要比椭圆脊背曲线更符合斗体的工作要求。另外，如果将抛物线旋转，构

16、成一个旋转抛物面，则物料仅受平行于对称轴 的力作用时，斗体壁对物料的约束反力将会聚集于旋转抛物面的焦点 (F),使物 料汇聚一点，形成自动粘紧，卸料更为有利。参考文献(1) 同济大学，单斗液压挖掘机 中国建筑工业(2) 金海薇，液压挖掘机反铲工作装置分析 工程技术学院 2001(3) 高衡、全根，液压挖掘机 中国建筑工业(4) 朱春华，液压挖掘机斗杆挖掘力分析 机械2010(5) 吴庆鸣、何小新，工程机械设计 大学(6) 天津工程机械研究所，单斗液压挖掘机 中国建筑工业(7) 史宵录、福生，挖掘机斗杆强度对比分析 工程机械 200952(a sin b cos ) 2dKT当0 2/兀时，d

17、0,这表明椭圆在第一象限的曲率 Kt是随着 角增大而单调下降的，因此，当=0时，曲率最大，将=0代入上式Kt中可知Kg 4。b为了保证脊背曲线在斗体尾部处的切线与水平线垂直。我们选取椭圆曲线时 ，从它与长轴的交点A作为起点取弧AM为所设计的斗体后部曲线（见图6）。在M BC1 arctg 点处， OC。弧AM曲线上哥哥点曲率Kt的变化围是： 竺 Kt马。斗体所需的椭圆曲线，是根据铲斗长度和高度（a2sin2 b2 cos2 ） 2 b及在斗口处所需求的切线与 X轴（水平轴）的火角刀来确定（见图7 ）。设弧AM为所需斗体脊背曲线，长半轴：OA=a,短半轴：OB=b,则AC=L=a乂2 22 2 * 1一X, MC=H=y，则椭圆方程为a 2b x- tg m a y